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第37卷第3期 煤 炭 科 学 技 术 Vol137 No13 2009年3月Coal Science and TechnologyMar . 2009 煤矸石质固土材料的制备 肖雪军 1 ,孙恒虎 2 ,李化建 3 1 1常州工程职业技术学院,江苏 常州 213164; 21清华大学 材料系,北京 100084; 31铁道科学研究院 铁道建筑研究所,北京 100081 摘 要利用大量排放的工矿业固体废弃物煤矸石,按一定比例掺加矿渣、水泥熟料、消石灰以及 石膏,可制备出性能优良、成本低廉的煤矸石质固土材料。试验结果表明,煤矸石质固土材料的各 组分含量对固化土的无侧限抗压强度都有较大影响,固化土的强度随着煤矸石与矿渣比的上升而下 降;随着消石灰外掺量的增加而上升,并在消石灰掺量为20时达到最大;石膏外掺量的增加也 能有效提高固化土强度,测得其固化土7 d无侧限抗压强度为413 MPa, 28 d和90 d分别可达513 MPa和6155 MPa。 关键词煤矸石;固土材料;固化土 中图分类号TD92614 文献标志码 A 文章编号 0253 - 2336 2009 03 - 0109 - 03 Preparation of Coal Refuse Base Consolidated SoilMaterial XI AO Xue2jun 1 , SUN Heng2hu 2 , L IHua2jian 3 1Changzhou Institute of Engineering Technology, Changzhou 213164, China;2Material Department, Tsinghua University, Beijing 100084, China;3Railway Engineering Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081,China Abstract W ith the utilization of the coal refuse which was great amount dumped industrial and mine solid wastes, the coal refuse base consolidated soilmaterialwith excellent perfor mances and a low cost could be prepared with a certain mixed rate of slag, cement clinker, slaked li me and gypsum.The test results showed that the each component content of the coal refuse base consolidated soilmaterialwould have high influence to the unconfined compressive strength of the consolidated soil and the strength of the consolidated soilwould be de2 creased with the rate of the coal refuse and slag increased.The strength of the consolidated soilwould be increased with the increasing of the slaked lime added and would be at the maxwhen the slaked lime content reached at 20.The increasing of the gypsum added could be effectively to improve the strength of the consolidated soil . The unconfined compressive strength measured of the consolidated soil after 7 dayswould be 413 MPa, and the strengthswould be 513 MPa and 515 MPa after 28 days and 90 days individually . Key words coal refuse; consolidated soilmaterial; consolidated soil 煤矸石是各种工业废渣中排放量最大、占地最 多、污染环境较为严重的固体废弃物。在煤炭生产 中,煤系及其伴生矿物都当作煤矸石排出。2002 年,煤矸石的堆存量已超过30亿t,形成了1 500 多座矸石山,占地约111亿m 2。随着煤炭的继续 开采,煤矸石产量每年还以约210亿t速度递增。 煤矸石在排放的同时,还带来大气污染、淋溶污 染、生态污染以及地质灾害等环境问题,因此开发 利用煤矸石刻不容缓 [1 - 2 ]。另一方面 ,我国正加速 高速公路和城乡道路建设,其中高速公路将在未来 30年内建设81510 7 m [3]。固土材料的需求量会 大幅增加。 而固体废弃物煤矸石亦大量用于路基,目前煤 矸石在路基上的应用主要有2种方式,一种是作为 路基填料;另外一种是利用自然煤矸石的火山灰活 性,与石灰、水泥一道用于路基加固。这2种方式 虽能消耗大量的煤矸石,但从资源可持续发展的角 度,没有充分发挥煤矸石的利用价值,这是因为煤 矸石中的黏土矿物只有在适当温度的煅烧下,才能 充分发挥其火山灰活性。因此将煤矸石在一定温度 的煅烧下,热活化后制备固土材料,能够充分利用 煤矸石的资源价值。 1 试验原料 试验用土为北京地区黄土,取样深度为地表以 下1 m。按照JTJ 051 - 1993公路土工试验规程 规范 [4 ] ,原状土的最大干密度、最佳含水率、液 限和塑限等基本性质如下 901 2009年第3期 煤 炭 科 学 技 术 第37卷 最大干密度/ gcm - 3 1198 最佳含水率/1217 液限/28183 塑限/17112 塑性指数/11172 按塑性图分类 CI 中液限黏土 该试验以煤矸石、矿渣、石灰、水泥熟料、石 膏为主要原料制备煤矸石质固土材料。其中煤矸石 取自江西吉安,矿渣取自唐山钢铁厂,水泥熟料来 自河北冀东水泥厂,消石灰为工业消石灰,石膏为 分析纯无水石膏,其化学组成见表1。 表1 原料的化学组成质量分数 原 料 SiO2Al2O3 CaO Na2OK2O MgO Fe2O3SO3 烧失量 煤矸石6516623178119201192134016421722172 矿 渣36103121703913901151107412611764162 水泥熟料231833177611710112112751284103 原状土64117231784172111911342170214510133 2 试验结果与讨论 211 煤矸石最佳活化温度 将煤矸石分别在500, 600, 700, 800, 900℃ 下煅烧,在水泥熟料和消石灰的作用下,按照 JTJ57 - 1994公路工程无机结合料稳定材料试验 规程 制备成无侧限抗压强度试块,其中水泥熟 料质量分数为20 ,煅烧煤矸石质量分数为70 , 其余10为消石灰。根据无侧限抗压强度来确定 最佳活化温度点,试验结果见表2。 表2 不同煅烧温度下的煤矸石与固化土强度的关系 温度/℃7 d强度/MPa28 d强度/MPa 50011752140 60011051185 70011352110 80001901165 90001751135 由表2可知,该试验所用煤矸石在500℃ 下煅 烧后所获得的强度最高,因而可以确定500℃ 为所 用煤矸石的最佳活化温度,故采用500℃ 下煅烧的 煤矸石作进一步的试验研究。 212 各组分对固化土强度的影响 煤矸石质固土材料主要以煅烧煤矸石为主,并 辅以矿渣,以提高其火山灰活性,并以水泥熟料、 消石灰以及石膏为激发剂,用以激发煤矸石的火山 灰活性,着重研究了各组分掺量变化对固土材料力 学性能的影响。 1 煅烧煤矸石与矿渣掺入比对固化土强度的 影响。按干土质量的6加入煤矸石质固土材料, 保持煤矸石质固土材料中水泥熟料20含量不变, 按照 公路工程无机结合料稳定材料试验规程 , 对煅烧煤矸石和矿渣在不同掺入比下的固化土进行 了无侧限抗压强度试验研究,试验结果见表3。 表3 不同煅烧煤矸石与矿渣掺量比的无侧限抗压强度 组 次S∶G 强度/MPa 7 d28 d90 d A120∶60111511651180 A240∶40113511903145 A360∶20118021354100 A480∶0113521754180 注S∶G表示煅烧煤矸石与矿渣掺入量的百分比。 用表3可知,固化土的7 d, 28 d和90 d的强 度总体上随着矿渣掺量的增加而增加。但考虑到煤 矸石的来源比矿渣广泛,选用A2组的配比作进一 步研究。 2 消石灰掺量对固化土强度的影响。选用A2 组配比为基本配比,外加不同量的消石灰,根据无 侧限抗压强度,分析消石灰掺量对固化土力学性能 的影响,试验结果如图1a所示。 由图1a可知,随着消石灰掺量的增大,固化 土的强度是先增加后下降。7 d时,消石灰掺量为 25时强度最高;而在28 d和90 d强度中,消石 灰掺量为20时的固化土强度达到最大,固土效 果最好,而后随着消石灰的加入,强度略有下降。 消石灰加入固化土体系后,会水解生成大量的 OH - ,提高了固化土体系的碱性,使体系中有更 多的活性Si O2和Al2O3溶出,发生火山灰反应,生 成不溶于水的稳定矿物。这种稳定矿物能将土粒团 011 肖雪军等煤矸石质固土材料的制备2009年第3期 图1 消石灰掺量和石膏掺量对固化土强度的影响 聚在一起,提高土体强度。另一方面在于消石灰水 解的生成物能够与土发生等量离子吸附交换,改变 土粒表面的带电状态,使土粒相互吸附团聚,增加 了土体强度。 当消石灰加入量超过20 ,固化土的强度下 降。这是由于消石灰加入量过多,导致多余消石灰 在 土 壤 中 会 吸 收 水 分 形 成 含 水 晶 格,即 从 Ca OH2胶体逐渐变为晶体。生成的 Ca OH2 晶体易发生断裂,导致固化土强度的下降 [5 - 6 ]。 3 石膏掺量对固化土强度的影响。根据以上 试验数据,选用水泥熟料 ∶ 矿渣 ∶ 煅烧煤矸石 ∶ 消石 灰为20∶40∶40∶20的配比为基础。研究石膏掺量对 固化土强度的影响。 根据图1b可知,加入石膏后,固化土的强度 普遍得到提高。其中石膏掺量为8时, 7 d和90 d强度最高。28 d强度略低于石膏掺量为6时的 强度,石膏掺量为8时, 7 d强度可达413 MPa, 完全能够满足CJ /T3073 - 1998中华人民共和国城 镇建设行业标准有关土壤固化剂中的规定表 4 [6 ] ,其28和90 d强度能够持续增长,分别为 513和6155 MPa。 加入石膏以后,能够与体系中的铝酸三钙一起 与水发生反应,生成钙矾石。反应过程中会消耗很 多自由水,减少了土体中的水分。水分的减少使得 土体的承载力提高,固化土强度得到提高。钙矾石 晶体生成的同时,体积发生膨胀。从而能够有效地 填充土团粒间的孔隙,同时对土体产生挤压,使得 土体致密起来,提高了土体的密实度,强度得到增 加 [7 - 10]。 表4 固化土无侧限抗压强度标准 层位固化剂类别 城市道路等级/MPa 快速路和主干线 次干路和支路 基层 水泥类 石灰类 水泥石灰类 石灰粉煤灰 粉状固化剂 3～4 3～4 018 3～4 2～3 018 2～3 016 2～3 底基层 水泥类 石灰类 水泥石灰类 石灰粉煤灰 粉状固化剂 115 018 115 015 ≥115 115 015～017 115 015 ≥115 注表中所列数值系指龄期7 d 标准养护6 d,浸水 1 d 强 度;对于水泥石灰类混合料时,若以水泥用量为主则其抗压强度标 准与水泥类混合料的强度标准相同;若以石灰用量为主则其抗压强 度标准与石灰类混合料的强度标准相同;若水泥与石灰用量相近则 取水泥类和石灰类之间的数值。 3 结 语 1 试验结果表明,在以煤矸石为主体,按照 一定比例掺加矿渣、水泥熟料、消石灰以及石膏的 情况下,可制备出7 d强度最高可达到413 MPa的 固土材料,完全能够满足我国城市快速路和城市主 干路的施工要求。其28和90 d强度能够持续增 长,分别能达到513和6155 MPa。 2 煤矸石质固土材料的主要原料煤矸石、矿 渣等固体废弃物,原料来源广泛,大量应用既有良 好的经济性,又能减少环境负荷,具有重要意义。 参考文献 [1] 姜振泉,李 雷 1煤矸石的环境问题及其资源化利用[J ]. 环境科学研究, 1998 3. 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